5.2 19/20 世纪之交的三大实验发现

在上述的众多实验发现之中，X 射线、放射性和电子的发现具有特殊的意义，人称世纪之交物理学的三大发现。这些发现直接或间接都与阴极射线的研究有关联。我们可以用一幅流程图来表示这些关联，如图 5 – 2。

下面先介绍阴极射线的研究经过。

5.2.1 阴极射线的研究

19 世纪是电的世纪，如果说这个世纪的上半叶是电气工业的准备时期，则下半叶是电气工业从萌芽到大发展的时期，发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。德国物理学家和发明家盖斯勒（J.H.W.Geissler，1815—1879）在 1855 年发明了水银真空泵，1858 年发明了放电管（图 5 – 3），为低压气体放电的研究创造了良好条件。

1858年德国人普鲁克尔（J.Plucker，1801—1868）在研究气体放电时，注意到在放电管正对阴极的管壁上发出绿色的荧光，证明是因为有一种射线从阴极发出打到管壁所致。1876 年，另一位德国物理学家哥尔茨坦（Eugen Goldstein，1850—1930）认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。他还演示了阴极射线被电极阻挡后，在管壁上形成阴影的现象，如图 5 – 4。

英国物理学家也对阴极射线做了大量研究。1871 年瓦尔利（C.F.Varley，1828—1883）发现阴极射线在磁场中会发生偏转，这与带电粒子的行为很相似。克鲁克斯（W.Crookes，1832—1919）在实验中证实阴极射线不但按直线前进、能聚焦、在磁场中会偏转，而且还可以传递能量和动量。他在阴极射线管中安装了一个铂电极，从凹面形的阴极发出的阴极射线聚焦在铂电极上，如图 5 – 5，在阴极射线的轰击下竟使铂电极发热，变成了灼红状。他还把一个可转动的风轮搁在由玻璃棍组成的水平轨道上，如图 5 – 6，风轮叶片涂有各种成分的荧光材料。每当阴极射线打到叶片上时，叶片开始滚动，同时发出五颜六色的光彩。

克鲁克斯认为阴极射线是由真空管中残余气体的分子组成，由于乱运动有些气体分子撞击到阴极，于是从阴极获得了负电荷，在电场的驱使下形成了带电的分子流。

舒斯特也认为阴极射线是带电粒子流。他在 1890 年根据阴极射线的磁偏转算出带电粒子的电荷 e 与质量 m 之比（简称荷质比）e/m，数值大约是 5×10⁶ 库仑/千克 ~ 1×10¹⁰ 库仑/千克，而电解所得氢离子的荷质比约为 10⁸ 库仑/千克。他认为这两个数据接近，说明阴极射线的成分可能就是原子类型的带电粒子。

这三位主张阴极射线是带电粒子的科学家都是英国人，于是很自然地形成了一个学派，人称英国学派。但是，当时威望更高的是持以太论的德国学派。除了哥尔茨坦以外，还有赫兹（H.Hertz）和勒纳德（P.Lenard，1862—1947）等德国物理学家。以太论者的观点虽然是错的，但他们对微粒说的反驳却很有份量。例如：哥尔茨坦为了说明阴极射线不是分子流，特意做了一光谱实验。图 5 – 7 是他用的一支 L 形放电管，A，B 两电极可轮流当阴极。当 A 是阴极时，光谱仪看到的光来自趋向光谱仪的射线，射线如果是分子流组成，分子向光谱仪运动，由于多普勒效应，光的频率应有所增大；反之，当 B 是阴极时，光的频率应减小。

可是，改换电极极性，哥尔茨坦丝毫未发现光的谱线有任何变化；于是这一事实成了他驳斥带电分子说的有力证据。

赫兹也做过许多实验为自己的以太说辩护。他的实验并不都很成功。例如，他在阴极射线管中加静电场，却没有观察到阴极射线偏转，使他更确信阴极射线是不带电的一种波。

赫兹的另一个实验却很有价值，他注意到阴极射线可以穿过金属隔板，使被挡住的玻璃壁发出微弱荧光，这个现象后来由他的学生勒纳德继续研究。勒纳德在阴极射线管末端嵌上一片铝箔 F 作为窗口（图 5 – 8），铝箔厚度仅0.000 265 厘米。实验结果证明，阴极射线可以穿过铝窗，在空气中继续穿行约 10 厘米。显然，这个实验事实是反驳带电分子说的有力论据，因为很难想象，气体的分子或原子竟能穿过成千个铝原子组成的铝壁。勒纳德认为，只有类似于光的某种波才有可能透过。

微粒说者也在积极寻找证据。1895 年法国物理学家佩兰（J.B.Perrin，1870—1942）将圆桶电极安装在阴极射线管中（图 5 – 9），用静电计测圆桶接收到的电荷，得到的结果是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。

阴极射线的本质究竟是什么？一时间成了科学界的热门课题，许多物理学家投入这项研究之中，希望找到问题的答案。争论持续了一二十年。这一争论促使人们做了许多实验和理论研究，引出了一系列重大成果。

5.2.2 X 射线的发现

阴极射线研究导致的第一项重大成果是发现了 X 射线。德国维尔茨堡大学的伦琴（Wilhelm Konrad Rӧntgen，1845—1923）教授正是在研究阴极射线的过程中作出这一发现的。他是一位治学严谨、造诣很深的实验物理学家。1895 年 11 月 8 日，他正在实验室中研究阴极射线，突然，他的注意力被一块荧光屏的微弱闪烁吸引住了。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。亚铂氰化钡做成的荧光屏离开放电管大约一米远。他移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。

他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间进行试验，认定是有某种穿透力很强的射线从放电管发送出来。为了确证这一新射线的存在，并且尽可能了解它的特性，伦琴用了 6 个星期深入地研究这一现象。1895 年底，他发表了题名《一种新射线（初步通信）》的论文，把这一发现公之于众，文中写道：

“……我们迅即发现，所有物体都能透过，尽管程度大有不同。

……荧光屏放在约 1 000 页的书后面，我仍看到亮光；油墨不产生可觉察的影响。

……单张纸牌置于装置和屏之间，眼睛根本无法察觉其影响。

……单张锡箔也难察觉，只有把许多张叠在一起才能在屏上看到清晰的阴影。

……厚木板也还透明；2 厘米 ~  3 厘米厚的枞木只能少量吸收。

……一块大约 15 毫米厚的铝板，尽管会大大降低射线效果，但不能使荧光完全消失。

……同样厚度的玻璃板要看是否含铅（火石玻璃），含铅的比不含铅的透明性差得多，作用大不一样。

……如果把手置于放电装置和荧光屏之间，就可以看到在较淡的手影里露出深暗的骨骼阴影。

……即使不同金属的厚度和密度的乘积相等，它们的透明度也绝不相等，透明度的增加比其乘积的降低快得多。

……其他物质也会发生荧光，例如，磷光质的钙化合物，还有铀玻璃、普通玻璃、方解石、岩盐等等。

……照相干板对于X射线是敏感的，因此，我们用它作为许多现象的永久记录，以防出错。只要可能，我总是把自己在荧光屏上看到的现象记录下来，进行比较。……”[1]

伦琴在这篇论文中还描述了 X 射线的一些性质，如直线传播、不产生干涉现象、在磁场中不受偏转等等，他猜测 X 射线可能是以太中的纵振动。1896 年 1 月 1 日，伦琴把这篇论文陆续给朋友们和知名的学者寄送。在一部分信中他还附上拍摄到的 X 射线照片。1 月 4 日在柏林物理学会的会议上，展览了他的 X 射线照片。次日维也纳的一家报纸率先报导了这一新闻，于是消息马上传遍全世界。1 月13日，伦琴向普鲁士国王演示了 X 射线，被授予二级荣誉勋章。1 月 23 日，伦琴在自己的研究所里作公开报告，当场一位教授举起手来，要求伦琴给他的手拍摄 X 射线照片，那位教授如愿以偿，兴奋地当众建议把这一射线命名为伦琴射线。一时间，沸沸扬扬，伦琴卷进了一股热浪之中，难以脱身，他怕失去研究时间，只好躲了起来，以便继续做他的研究。

X 射线的发现令人激动，报刊杂志纷纷报导，消息越传越神奇。最先引起人们注意的，当然是它在医学中的应用价值。不出三个月，伦琴第一篇论文印了五次，并译成许多种文字。仅仅在 1896 年的一年中，随之而来的专著和小册子就有 49 种，有关 X 射线的论文竟达 1044 篇[2]，真是盛况空前。这种情况在 19 世纪可以说是史无前例的，即使在后来的 20 世纪，也不容易找到类似的热潮。因为参加这一热潮的，不仅有物理学家、冶金学家，更有人数众多的医生和病理学家。厂商大做生意，发明家谋取专利（参看图 5 – 13）。伦琴则声明自己不申请专利，他更关心的是 X 射线的本质。他在 1896 年和 1897 年相继发表了另外两篇关于 X 射线性质的研究通信后，就回到自己主要的研究领域——实验固体物理学之中，把 X 射线的研究留给别人去做。

由于尚不清楚这一射线的性质，伦琴称之为 X 射线，但是人们为了尊重他的功绩，又称之为伦琴射线。

X 射线的发现对物理学的发展具有重大意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。伦琴宣布 X 射线发现之后不久，很快就被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。更重要的是，这一热潮吸引了许多科学家研究 X 射线和阴极射线，从而导致了放射性、电子以及 α，β 射线的发现，为原子科学的发展奠定了基础。同时，由于科学家探索 X 射线的本质，发现了 X 射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏伽德罗常量。在研究 X 射线的性质时，还发现 X 射线具有特征谱线，其波长有特定值，和 X 射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X 射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。1901 年伦琴荣获首届诺贝尔物理学奖，就说明了人们对这项发现的高度评价。

5.2.3 放射性的发现

1895 年底，伦琴将他的第一篇描述 X 射线的论文，《一种新射线（初步通信）》和一些用 X 射线拍摄的照片分别寄送给各国知名学者。其中有一位是法国的彭加勒（Jules Henri Poincaré，1854—1912），他是著名的数学物理学家，当时任法国科学院院士，对物理学的基础研究和新进展非常关心，积极参与各种物理问题（例如阴极射线本性）的争论。法国科学院每周有一例会，物理学家在会上报告各自的成果并进行讨论。1896 年 1 月 20 日彭加勒参加了这天的例会，他带去了伦琴寄给他的论文和照片，展示给与会者看。正好在这个会上有两位法国医生。将他们拍到的人手X射线照片提交科学院审查。这件事大大激励了在场的物理学家亨利·贝克勒尔（A.Henri Becquerel，1852—1908），询问这种射线是怎样产生的？彭加勒回答说，也许是从阴极对面发荧光的那部分管壁发出的，荧光和 X 射线可能是出于同一机理。不过他不太有把握。第二天，贝克勒尔就开始试验荧光物质在发荧光的同时会不会发出 X 射线。可是试来试去，却没有任何迹象。正当贝克勒尔准备放弃试验时，读到彭加勒的一篇科普文章介绍 X 射线，文中又一次提到荧光和 X 射线可能同时产生的看法。贝克勒尔很受鼓舞，于是再次投入试验，终于找到了铀盐有这种效应，他在 1896 年 2 月 24 日向法国科学院报告说：

“我用两张厚黑纸……包了一张感光底片，纸非常厚，即使放在太阳光下晒一整天也不致使底片变色，我在黑纸上面放一层磷光物质，然后一起拿到太阳光下晒几小时。显影之后，我在底片上看到了磷光物质的黑影。……在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃，也作出了同样的实验。这样就排除了由于太阳光线的热从磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用的可能性。所以从这些实验可作如下结论：所研究的磷光物质会发射一种辐射，能贯穿对光不透明的纸而使银盐还原。”[3]

贝克勒尔所指的磷光物质就是铀盐。当时人们以为，荧光和磷光没有什么本质上的不同，只是发光时间的长短有区别而已。这里，贝克勒尔误以为 X 射线的产生是由于太阳光照射铀盐的结果。

一个星期以后，当法国科学院于 3 月 2 日再次例会时，贝克勒尔已经找到了正确的答案。这也许是偶然的机遇，但偶然中有必然。他本想在会前再做一些实验，可是 2 月 26、27 日连续阴天，他只好把所有器材放在抽屉里，铀盐也搁在包好的底片上，等待好天气。在对科学院的第二次报告中，贝克勒尔写道：

“由于好几天没有出太阳，我在 3 月 1 日把底片冲了出来，原想也许会得到非常微弱的影子。相反，底片的廓影十分强烈。我立即想到，这一作用很可能在黑暗中也能进行。”[4]

图 5 – 15 就是贝克勒尔文中所述的那张照片。

贝克勒尔意识到，这一发现非常重要，说明原来以为荧光（和磷光）与 X 射线属于同一机理的设想不符合实际。他立即放弃了这种想法，转而试验各种因素，例如铀盐的状态（是晶体还是溶液）、温度、放电等等对这种辐射的影响，证明确与磷光效应无关。他发现，纯金属铀的辐射比铀化合物强好多倍。他还发现，铀盐的这种辐射不仅能使底片感光，还能使气体电离变成导体。这个现象为别人继续研究放射性提供了一种新的方法。

贝克勒尔搞清楚了铀盐辐射的性质后，在同年 5 月 18 日科学院的例会上再次报告，宣布这种贯穿辐射是自发现象，只要有铀这种元素存在，就会产生贯穿辐射。以后，这种辐射被人们叫做贝克勒尔射线，或者铀辐射，以区别于当时人们普遍称呼为伦琴射线的 X 射线。

贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现 X 射线那样轰动一时，意义却更为深远，因为这是人类第一次接触到核现象，为后来的发展开辟了道路。

贝克勒尔的发现，往往被后人作为科学发现的偶然性之重要例证。不过，贝克勒尔自己却喜欢说：在他的实验室里发现放射性是“完全合乎逻辑的。”[5]这是因为亨利·贝克勒尔具有特殊有利的条件，他的祖传三代都是研究磷光的世家。祖父名安东尼·贝克勒尔（Antoine Cesar Becquerel，1788—1878）是巴黎自然历史博物馆的物理教授，广泛研究过矿物学、化学以至磷光；父亲爱德蒙·贝克勒尔（Edmond Becquerel，1820—1891）继承父业，是欧洲有名的固体磷光专家，在他家的实验室里拥有各种各样的荧光和磷光物质，长年进行各种试验，其中也包括铀盐。19 世纪后半叶，铀盐开始广泛用于照相术、染色、上釉，后来成了商品化的化学试剂。由于铀盐会发出特别明亮的磷光，爱德蒙·贝克勒尔曾特地对它进行了研究。这些工作在 1891 年以后都由亨利·贝克勒尔继承了下来。更重要的是，前辈们注重收集实验资料，尊重客观事实的科学态度帮助亨利·贝克勒尔很快找到了正确的结论。由此可见，亨利·贝克勒尔之所以成为放射学的先驱，的确不是偶然的。

5.2.4 钋和镭的发现

贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作迅速地扩大了战果。居里夫人原名玛丽·斯可罗多夫斯卡（Marie Sklodowska，1867—1934），波兰人，1891 年到巴黎攻读物理后与皮埃尔·居里（Pierre Curie，1859—1906）结婚。1897 年，居里夫人选放射性作为自己的博士论文题目。在重复贝克勒尔的铀盐辐射实验时，将居里两兄弟早先发现的压电效应用于测量游离电流，得到了大量精确的数据，使放射性的研究很快走上了严密定量的道路。

居里夫人在 1898 年 4 月发表的第一篇论文中写道：

“我用……一平板电容器，极板之一覆盖了均匀的一层铀或其他细研过的物质。极板直径 8 厘米，极间距离 3 厘米，极板间加有 100 伏电位差，穿过电容器的电流用静电计和一压电石英晶体测量绝对值。”[6]

居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。正好这时，施密特（G.C.Schmidt，1856—1949）发现钍也具有贯穿辐射，居里夫人迅即予以证实。她找来各种矿石和化学品，一一按上述方法做了试验，断定钍也是一种放射性元素。她还发现沥青铀矿和辉铜矿比纯金属铀的活性还强得多。居里夫人在论文中写道：

“两种铀矿……比铀自身还更活泼。这个事实……使人相信，在这些矿中可能含有比铀活泼得多的元素。”

居里夫人相信，既然不止一种元素能自发地放出辐射，而这又是一种原子现象，肯定它具有普遍性。就在这篇论文中，居里夫人首次使用了“放射性”一词。

接着，居里夫人在居里先生的协助下，进行了艰苦的提纯工作。他们从铀矿渣中分离出含量仅占百分之一甚至更少的新元素。1898 年 7 月，分离出铋的成分带强烈的放射性，比同样质量的铀强 400 倍。

他们进一步确证，放射性并不是来自铋本身，而是混在铋中的一种微量元素。经过反复试验，终于从沉淀物中找到了那种放射性物质，居里夫妇写道：

“我们相信，从沥青铀矿提取的物质含有一种迄今未知的金属，在分析特性时跟铋有联系。如果这种新金属的存在得到证实，我们建议称之为钋（polonium），这个名称是根据我们之一的祖国命名的。”

他们继续进行试验，又发现在钡盐中有更强的放射性。他们“认为还有第二种物质，放射性更强，化学性质则与第一种完全不同。用硫化氢、硫化铵或氨都无法使之沉淀；”“这种新的放射性物质在化学性质上完全像纯钡，其氯化物溶于水，却不溶于浓盐酸和酒精。由它可得钡的光谱。但我们相信，这种物质尽管绝大部分由钡组成，必定还有一种产生放射性的新元素，其化学性质极其接近于钡。”

“我们进行了一系列的分离，得到越来越活泼的氯化物，其活性竟比铀大 900 倍以上。种种理由使我们相信，新的放射性物质中有一种新元素，我们建议命名为镭（radium）。”[7]

居里夫妇历尽辛苦，用分离结晶的方法不断提高含镭的氯化钡中镭的含量。1899 年得到比铀的放射性强 7 500 倍的晶体，后来竟达到了 100 000 倍，然而仍然不是纯粹的镭盐。

为了提炼出足以进行实验的纯镭盐，居里夫妇经过 4 年的奋斗，终于从 8 吨矿渣石中提取了 0.1 克的纯镭盐。1902 年，居里夫妇宣布，他们测得镭的原子量为 225，找到了两根非常明亮的特征光谱线，直到这时，镭的存在才得到公认。

5.2.5 放射性的研究为核物理学的发展奠定了基础

钋和镭的发现大大促进了放射性的研究。1898 年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）通过吸收实验证明铀辐射具有两种穿透本领不同的成分，他把穿透力不强的称为 α 射线，穿透力强的称为 β 射线。1899 年，贝克勒尔在实验中证实 β 射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。1900 年，法国化学家维拉德（Paul Villard，1860—1934）发现，在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，他称之为 γ 射线。

从 1902 年起，卢瑟福和他的合作者索迪（F.Soddy，1877—1956）等人，研究 α 射线和放射性物质的规律，终于导致了原子核嬗变规律和原子核的发现。

5.2.6 电子的发现

对阴极射线是以太的波动还是带电粒子流的争论给出正确答案的，是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授 J.J.汤姆孙（Joseph John Thomson，1856—1940）。从 1890 年起，他就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：

1．直接测阴极射线携带的电荷。J.J.汤姆孙将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电荷接收器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧，如图 5 – 18。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。

2．使阴极射线受静电偏转。J.J.汤姆孙重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆孙就获得了驳斥以太说的重要证据。

3．用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在图 5 – 19 的管子两侧各加一通电线圈（图中未画，可参看图 5 – 21），以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比 e/m 与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆孙把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。

两种不同的方法得到的结果相近，荷质比都是 e/m ≈ 10¹¹ 库仑/千克。

4．证明电子存在的普遍性。J.J.汤姆孙还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。

1897 年 4 月 30 日，J.J.汤姆孙向英国皇家研究所报告了自己的工作，随即又以《论阴极射线》为题发表论文，其中写道：

“阴极射线的载荷子比起电解的氢离子，m/e 值小得多。m/e 小的原因可能是 m 小，也可能是 e 大，或两者兼而有之。我想，阴极射线的载荷子要比普通分子小。这可从勒纳德的结果看出。”[8]

这里指的就是勒纳德的薄窗实验，只有把阴极射线的载荷子看成比普通分子小得多，才能解释阴极射线透过薄铝片的事实。

接着，J.J.汤姆孙和他的学生们用几种方法直接测到了阴极射线载荷子所带的电量，证明的确跟氢离子的带电量相同。1899 年，J.J.汤姆孙采用斯坦尼的“电子”一词来表示他的“载荷子”。“电子”原是斯坦尼在 1891 年用于表示电的自然单位的。

就这样电子被发现了。但是 J.J.汤姆孙并未到此止步，他进一步又研究了许多新发现的现象，以证明电子存在的普遍性。

光电效应是 1887 年赫兹发现的，但时隔十几年，光电流的本质仍未搞清。1899 年，J.J.汤姆孙用磁场偏转法测光电流的荷质比。得到的结果与阴极射线相近，证明光电流也是由电子组成的，详见 7.3。

热电发射效应是 1884 年爱迪生（Thomas Edison，1847—1931）发现的，所以也称爱迪生效应。爱迪生当时正在研究白炽灯泡，他发现灯泡里的白炽碳丝加热后有负电逸出。1899 年，J.J.汤姆孙同样用磁场截止法测其荷质比，证明这一负电荷也是电子。

β 射线是卢瑟福在 1898 年发现的，不久，亨利·贝克勒尔用磁场和电场偏转法测得 β 射线的荷质比和速度，证明 β 射线是高速电子流。

J.J.汤姆孙掌握了大量的实验事实，果断地作出判断：不论是阴极射线、β 射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子电子。这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要的结论。原子不可分的传统观念彻底破灭了。

5.2.7 “电磁质量”的发现

在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。不过，这中间也有不少曲折。1878 年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的问题。1881 年，J.J.汤姆孙首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界做更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质量。后来，人们用“电磁质量”来代表这一部分增加的质量。J.J.汤姆孙用麦克斯韦电磁理论计算半径为 a 的导体球，设其所带电荷为 e，则电磁质量为

\[{m_e} = \frac{{4\mu {e^2}}}{{15a}}\]

其中 μ 为磁导率。

1889 年，亥维赛（Oliver Heaviside）改进了 J.J.汤姆孙的计算，并推导出当运动带电体的速度接近光速 c 时，物体能量可达无穷大，条件是电荷集中在带电球体的赤道线上。

1897 年，舍耳（Searle）假设电子相当于一无限薄的带电球壳，计算其电磁质量为

\[{m_e} = \frac{e}{{2a{v^2}}}\left[ {\frac{2}{{1 - {\beta ^2}}} - \frac{1}{\beta }\ln \left( {\frac{{1 + \beta }}{{1 - \beta }}} \right)} \right]\]

其中 β ≡ v/c。

这时，电子已经被发现，并被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量问题。

1901 年考夫曼（WaltherKaufmann，1871—1947）用 β 射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大，第一次观测到了电磁质量。图 5 – 22 是考夫曼 1901 年所用的实验装置。

1903 年，阿伯拉罕（M.Abraham）用经典电磁理论系统地研究了电磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系

\[m = \frac{3}{4} \cdot \frac{{{m_0}}}{{{\beta ^2}}}\left[ {\frac{{1 + {\beta ^2}}}{{2\beta }} \cdot \ln \left( {\frac{{1 + \beta }}{{1 - \beta }}} \right) - 1} \right]\]

式中 m₀ 为电子的静止质量。

1904 年，洛伦兹把收缩假设（见 5.3.10 节）用于电子，推出如下关系

\[m = \frac{{{m_0}}}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}\]

这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以叫洛伦兹-爱因斯坦公式。

电磁质量的研究对于爱因斯坦的狭义相对论既提供了实验依据，也形成了一道检验关卡。经过各种方案的实验，狭义相对论顺利地通过了实验检验。从经典物理学提出的电磁质量问题，成了相对论的重要实验证据。

[1] 转引自：Glasser O.Wilhelm Conrad Rӧntgen and the Early History of the Rӧntgen Rays，Bale，1933，224

[2] Glasser O.Wilhelm Conrad Rӧntgen and the Early History of the Rӧntgen Rays，Bale，1933

[3] 转引自：Segrè E.From X-rays to Quarks.Freeman & Co.，1980.28

[4] 同上注，第29页。

[5] Badash L.Arch.Int.Hist.Sci.，1965（18）.55

[6] Curie M.Comptes Rendus.1898，转引自：Dic.Sci.Bio.，vol.3，498

[7] Curie P & M.Comptes Rendus，1898（127）：175，转引自：Magie.A Source Book in Physics.MeGraw-Hill，1935.613

[8] Thomson JJ.Phil.Mag，1897，44（5）：293

发布时间：2024/2/18 下午8:17:04  阅读次数：3605